小水線面雙體船振動(dòng)特性研究

中圖分類號(hào)：U661.44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Vibration Characteristic Research of a Small Waterplane Area Twin Hull

ZHANG Xu （China Ship Development and Design Center，Wuhan 43o064，China）

Abstract： The special structure characteristic and overall vibration speciality of small waterplane area twinhull ship（SWATH）aredescribed in the paper. With finite element method，overallvibration modecalculation was carried out，the overallvibrationcharacteristicofSWATHwas studied，alsothe vibrationperformanceofcriticalarea was studied，some meaningful results of SWATH overall vibration calculation andoverallvibration characteristic wereobtained asreferencesforsimilarcalculations.

Keywords：SWATH;overall vibration; finite element analysis

1 引言

船舶振動(dòng)性能主要取決于船舶的固有總振動(dòng)頻率是否與激振力頻率有足夠的錯(cuò)開(kāi)率及船舶重點(diǎn)區(qū)域在激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，振動(dòng)性能對(duì)于船舶安全、船上人員工作及設(shè)備運(yùn)行環(huán)境均有重要影響，是船舶的重要性能之一。船舶的振動(dòng)性能可以通過(guò)理論算法或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行評(píng)估，也可在建造后開(kāi)展實(shí)測(cè)，經(jīng)驗(yàn)證明，建造階段或完工后基于實(shí)測(cè)的振動(dòng)響應(yīng)，再采取措施改善船舶的振動(dòng)性能，很難達(dá)到理想的效果，且代價(jià)非常巨大1]，盡早預(yù)報(bào)船體的振動(dòng)性能、研究振動(dòng)響應(yīng)，有助于避免可能發(fā)生的共振、保障船舶安全、改善船上人員工作及設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、減小振動(dòng)損害、節(jié)約全壽期成本，意義深遠(yuǎn)。

小水線面雙體船（SWATH）是一種具有優(yōu)良耐波性、操縱性、航向穩(wěn)定性、大甲板面積等優(yōu)點(diǎn)的特種船舶，作為一種穩(wěn)定的水上作業(yè)平臺(tái)，近年來(lái)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。小水線面雙體船一般由上船體、支柱片體和下潛體三部分組成，上船體具有寬廣的甲板面，位于水線以上，兩個(gè)下潛體呈流線型，位于水線以下，兩個(gè)支柱片體呈狹片狀，連接于下潛體與上船體之間。小水線面雙體船與常規(guī)單體船舶外形上的巨大差異導(dǎo)致了其振動(dòng)特性與常規(guī)單體船舶也存在著巨大的差異，基于常規(guī)單體船舶形成的理論算法或經(jīng)驗(yàn)公式均無(wú)法適用于小水線面雙體船，因此采用有限元方法計(jì)算小水線面雙體船的振動(dòng)特性十分必要。同時(shí)為減少整改工作，節(jié)約整改成本，宜盡早在設(shè)計(jì)階段，分析重點(diǎn)艙室的振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提前采取措施避免惡劣共振的發(fā)生。

2某小水線面雙體船結(jié)構(gòu)方案

某橫骨架式 1000t 級(jí)小水線面雙體船下潛體及支柱片體采用DH36高強(qiáng)度鋼，上船體采用B級(jí)鋼，肋距 500mm 。其上船體部分與常規(guī)橫骨架式單體船上層甲板相似，內(nèi)部設(shè)置多層甲板，每檔設(shè)置扶強(qiáng)材，每三或四檔設(shè)置艙壁或強(qiáng)框架，縱橫艙壁互相連接形成抗扭箱體。支柱片體采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置多層甲板，每檔設(shè)置扶強(qiáng)材，每三或四檔設(shè)置艙壁或強(qiáng)框架，艙壁多與上船體對(duì)齊，以提高支柱片體的剖面模數(shù)，保證其強(qiáng)度和剛度。下潛體與常規(guī)單體船舶底部相似，每檔設(shè)置扶強(qiáng)材，每三或四檔設(shè)置與支柱片體及上船體對(duì)齊的艙壁或強(qiáng)框架，以保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，同時(shí)避免下潛體部分的外力傳遞到支柱片體及上船體產(chǎn)生應(yīng)力集中。

為了計(jì)算出該小水線面雙體船的振動(dòng)固有頻率及響應(yīng)，進(jìn)而研究該類船舶的振動(dòng)特性，本文采用有限元仿真方法對(duì)該 1000t 級(jí)小水線面雙體船進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算，并開(kāi)展振動(dòng)特性研究及振動(dòng)響應(yīng)分析。

3 總振動(dòng)計(jì)算

采用大型通用有限元軟件PATRAN，建立自標(biāo)小水線面雙體船的有限元模型，采用三維水彈性理論和方法求解該小水線面雙體船的模態(tài)振型和特征頻率。

3.1有限元模型

三維有限元模型按船舶實(shí)際結(jié)構(gòu)形式和空間位置建立，考慮到雙體船在中縱剖面上具有對(duì)稱、反對(duì)稱特性，建立全高度、全長(zhǎng)度、半寬度范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)模型以簡(jiǎn)化計(jì)算。

設(shè)船尾縱中剖面基線處為原點(diǎn)，采用右手坐標(biāo)系，船尾指向船首為 σ_X 軸正方向；右舷指向左舷為y軸正方向；下潛體指向上船體為 z 軸正方向。

甲板、外板、艙壁及其上的主要構(gòu)件的腹板采用考慮中面應(yīng)力的板單元模擬。甲板、外板、艙壁上的次要構(gòu)件及支柱采用帶偏置的梁?jiǎn)卧M。主要構(gòu)件上的面板、扶強(qiáng)材及其他圍緣板采用桿單元模擬。另外為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略部分較小的肘板及開(kāi)孔。在確定單元和自由度的數(shù)量時(shí)，宜能夠使模型完全表征船體結(jié)構(gòu)的彈性和慣性特征，同時(shí)能夠控制計(jì)算模型的復(fù)雜程度，使之在合理的可接受的范圍之內(nèi)。

根據(jù)重量重心計(jì)算書(shū)，參考總布置圖的分布情況，設(shè)備、裝置及計(jì)算狀態(tài)的油水等質(zhì)量以質(zhì)量單元的形式分配到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，確保有限元模型的最終質(zhì)量分布與目標(biāo)小水線面雙體船實(shí)際質(zhì)量分布基本一致。

下潛體及支柱片體結(jié)構(gòu)材料的屈服極限為355MPa ，上船體結(jié)構(gòu)材料的屈服極限為 235MPa ，材料參數(shù)為 E=2.01×10¹¹P_a ， μ=0.3 。

目標(biāo)小水線面雙體船的有限元模型見(jiàn)圖1所示。

3.2舷外水對(duì)船舶振動(dòng)的影響

船舶在水中時(shí)，舷外水對(duì)振動(dòng)主要有三個(gè)方面影響：慣性影響、阻尼影響及重力的影響。舷外水的阻尼和重力影響一般簡(jiǎn)化不計(jì)。舷外水的慣性影響體現(xiàn)為船舶振動(dòng)時(shí)其周圍和船舶自身質(zhì)量同量級(jí)的舷外水會(huì)隨船舶一起振動(dòng)，即船舶振動(dòng)的等效質(zhì)量會(huì)發(fā)生很大改變，因此通常以增加附連水的方式考慮這種影響。附連水質(zhì)量可采用劉易斯法計(jì)算。

仿真中以對(duì)船舶水線以下濕表面單元添加附連水質(zhì)量的方式，來(lái)模擬船體振動(dòng)時(shí)與船體濕表面接觸的部分舷外水產(chǎn)生的耦合振動(dòng)，目標(biāo)小水線面雙體船的濕表面單元模型如圖2所示。

3.3邊界條件

小水線面雙體船總振動(dòng)計(jì)算中，采用PATRAN軟件配置的懸浮體模型計(jì)算功能，即假設(shè)船體處于自由懸浮狀態(tài)，以此模擬船舶在水中的自由振動(dòng)過(guò)程。

3.4計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算給出目標(biāo)小水線面雙體船前幾階較為重要的振動(dòng)模態(tài)。圖3＼～圖15列出了仿真得到的目標(biāo)小水線面雙體船前13階模態(tài)的振型和頻率。

圖10第八階振型11.33Hz（下潛體橫向?qū)ΨQ二節(jié)點(diǎn)彎曲、首翹）

3.5小水線面雙體船振動(dòng)特性分析

通過(guò)上述仿真計(jì)算結(jié)果可知，小水線面雙體船外形特殊，結(jié)構(gòu)型式特殊，振動(dòng)型式亦特殊，經(jīng)分析可知其振動(dòng)主要有以下特點(diǎn)：

1）由于小水線面雙體船設(shè)有兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立下潛體及支柱片體，因此除了普通單體船常見(jiàn)的垂向、水平及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)外，還存在下潛體間，支柱片體間，下潛體、支柱片體與上船體間的多種耦合振動(dòng)模態(tài)；2）小水線面雙體船的支柱片體結(jié)構(gòu)的橫截面積較小，剛度較小，因此下潛體橫向振動(dòng)頻率較低，另外下潛體結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)于上船體結(jié)構(gòu)剛度小，下潛體振動(dòng)固有頻率也較低，故下潛體橫向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)振型的出現(xiàn)相對(duì)于整體振型更早。

4 響應(yīng)分析

4.1主要干擾頻率

目標(biāo)小水線面雙體船螺旋槳軸最高轉(zhuǎn)速 288r/ min，對(duì)應(yīng)軸頻 4.80Hz ，螺旋槳葉頻 28.80Hz ；巡航轉(zhuǎn)速 178r/min ，對(duì)應(yīng)軸頻 2.97Hz ，螺旋槳葉頻17.80Hz 。根據(jù)相關(guān)規(guī)范預(yù)防措施中的要求，在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，激勵(lì)頻率應(yīng)避開(kāi)船體總振動(dòng)首階固有頻率 8% ，二階固有頻率 10% 。目標(biāo)小水線面雙體船激勵(lì)頻率與總振動(dòng)頻率錯(cuò)開(kāi)情況滿足相關(guān)要求，詳見(jiàn)表1。

若激勵(lì)頻率與船舶總振動(dòng)頻率無(wú)法錯(cuò)開(kāi)，則需要開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)避免共振，在設(shè)計(jì)初期可采取適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方案，盡量做到船體－主機(jī)－螺旋槳合理匹配，如采取合理設(shè)計(jì)船體結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)剛度，合理選取主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)使用工況、齒輪箱速比，安裝同步裝置、平衡補(bǔ)償裝置或隔振裝置，合理選取螺旋槳葉片數(shù)量等方法避免共振。

4.2波浪激勵(lì)響應(yīng)

除機(jī)械干擾外，波浪激勵(lì)也對(duì)小水線面雙體船振動(dòng)特性影響較大，為研究該小水線面雙體船特定區(qū)域的頻響特性，考察其在波浪激勵(lì)下是否會(huì)產(chǎn)生共振隱患，結(jié)合其振動(dòng)頻率低、耦合模態(tài)多的振動(dòng)特點(diǎn)，選取單位波高斜浪（ 45^° ）作為典型激勵(lì)，采用模態(tài)疊加法計(jì)算目標(biāo)小水線面雙體船的振動(dòng)響應(yīng)，主機(jī)艙、主推艙及后甲板區(qū)域的加速度頻率響應(yīng)曲線圖如16＼～圖21所示。

由上述計(jì)算結(jié)果可知目標(biāo)小水線面雙體船重點(diǎn)區(qū)域的振動(dòng)頻率范圍主要集中于 6-9Hz ，最大振動(dòng)響應(yīng)為 0.035g ，出現(xiàn)在主推艙甲板。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，該最大加速度響應(yīng)處于可接受區(qū)，目標(biāo)小水線面雙體船振動(dòng)響應(yīng)良好。

若激勵(lì)頻率與船舶總振動(dòng)頻率無(wú)法錯(cuò)開(kāi)且振動(dòng)響應(yīng)較差，則應(yīng)開(kāi)展強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算。為減小強(qiáng)迫振動(dòng)應(yīng)力，可采取合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式及規(guī)格的方法增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，或采取合理選擇螺旋槳直徑、盤(pán)面比及葉梢間隙，優(yōu)化尾部型線、加裝導(dǎo)流鰭或?qū)Я髡值雀纳坡菪龢榱鞯姆椒p小螺旋槳激勵(lì)力，進(jìn)而避免強(qiáng)迫振動(dòng)應(yīng)力過(guò)大，保證結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合小水線面雙體船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用有限元方法開(kāi)展總振動(dòng)及振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，得到振動(dòng)固有頻率并清晰的展示了主要振形，研究了小水線面雙體船的振動(dòng)特性，并進(jìn)一步開(kāi)展了振動(dòng)響應(yīng)分析，總結(jié)了一些關(guān)于小水線面雙體船振動(dòng)計(jì)算及振動(dòng)特性的有意義的研究成果，為小水線面雙體船振動(dòng)研究提供參考。

采用有限元法，開(kāi)展了小水線面雙體船的總振動(dòng)計(jì)算，計(jì)算中考慮了流體的耦合作用。本文采用的結(jié)構(gòu)、流體模擬及邊界條件選取原則等，可作為同類船舶振動(dòng)特性仿真計(jì)算的參考。

經(jīng)仿真計(jì)算得到了目標(biāo)小水線面雙體船 0-40Hz 頻率范圍內(nèi)前13階明顯的整體振動(dòng)模態(tài)的振型和頻率，通過(guò)分析可知由于小水線面雙體船結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)單體船不同，其總振動(dòng)模態(tài)出現(xiàn)頻率較低，且異常密集，形式多樣，總振動(dòng)受波浪等激振影響可能更為嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)早期采用有限元法研究其總振動(dòng)特性，采取必要措施改善其總振動(dòng)性能意義重大。同時(shí)文中也給出了設(shè)計(jì)階段效果較好的避免共振的方法。

分析振型可知由于小水線面雙體船兩下潛體及支柱片體獨(dú)立，其橫向剛度較其他方向弱，因此船體總振動(dòng)時(shí)，船體首階振動(dòng)首先出現(xiàn)了門(mén)形橫向振動(dòng)，極大的區(qū)別于常規(guī)單體船舶振動(dòng)首階常見(jiàn)的水平及垂向振動(dòng)。另外除存在普通單體船舶常見(jiàn)的垂向、水平和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)，小水線面雙體船還存在多種下潛體之間，支柱片體之間，下潛體、支柱片體與上船體間的復(fù)雜耦合振動(dòng)模態(tài)。

進(jìn)一步以波浪激勵(lì)為基礎(chǔ)，研究主推艙、主機(jī)艙及后甲板的振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果顯示該小水線面雙體船振動(dòng)加速度處于可接受范圍，受波浪等激振產(chǎn)生惡劣共振的可能性較小，目標(biāo)小水線面雙體船振動(dòng)響應(yīng)良好。同時(shí)文中也給出了設(shè)計(jì)階段效果較好的減小強(qiáng)迫振動(dòng)應(yīng)力的方法。

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